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【摘要】数据中心运行中主机停机故障与电源系统有很大的关系，为了保证电源系统的安全、可靠、稳定，需要按照现行规范对供配电系统做认真规划和设计，其中本次主要讲解的是后备柴油发电机的设计要点。
【关键词】数据中心； 柴油发电机； 供配电系统
Design of Diesel Generator in Data Center
Xie Xiang-wei
（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）
【Abstract】In order to ensure the safety， reliability and stability of the power supply system， it is necessary to make careful planning and design of the power supply and distribution system according to the existing regulations. The main reason for this is that the backup of the power supply system is related to the power supply system. Design Essentials of Diesel Generator.
【Key words】Data center；Diesel generator；Power supply and distribution system
数据中心是为了满足现代社会的信息化需求而建设的一整套包括计算机系统、信息处理设备、数据通信设备及其他与之配套设备的设施。柴油发电机台数选择按照GB 50174《电子信息系统机房设计规范》对于A级机房的设计要求，柴油发电机储油时间需达到72 h；而按照美国标准TIA-942-2014 《数据中心的通信基础设施标准》对于Tier IV级机房的设计要求，柴油发电机需要达到储油时间96 h，即柴油发电机可能运行72 h或96 h，所以柴油发电机也需要备份。柴油发电机需要与配电变压器对应分组设置，每组柴油发电机两台或三台，采用“1+1”或“2+1”方式设置，可互为备用或轮流备用。柴油发电机电源分别与两段低压母线引出的回路通过ATS开关转换，然后对UPS、空调设备和消防设备供电[1]。
1. 柴油发电机电压选择
柴油发电机宜选择低压发电机，与配电变压器共同组成“N+2”电源系统，如采用中压柴油发电机，在一台配电变压器检修时，因检修时间不会很短，故障发生的时机又是随机的，有可能发生单点故障，造成灾难性后果，所以需要增设备用配电变压器。由于低压发电机单台容量受到低压断路器断流容量的限制，一般与配电变压器同样按组设置。采用高压柴油发电机可以提高单台柴油发电机容量，减少柴油发电机台数，由于需要配置备用配电变压器，却增加了配电变压器台数，每组高压柴油发电机对应几组配电变压器。
2. 柴油发电机组性能分析
柴油发电机组由柴油机、发电机、启动电机弹性联轴节及支撑底座组成。套发电机组放置在重型钢架机座上， 全焊接结构， 可精确地校正和支撑引擎/交流发电机， 底座架上有吊机孔作运输及安装之用。在发电机组与公共底盘之间，根据发电机组的动、静载荷选配适合的减震器， 大大减少机组工作的振动对周围的传递。该减震器高频波动率较小， 对瞬态冲击响应及瞬时过载工况等引起的自振能迅速消失； 该减震器采用碗形上盖， 三相刚度相等， 有防剪切性能。具有调压精度高、动态性能好电压波形畸变小、效率高、结构紧凑、维修方便、工作可靠、使用寿命长和经济性能好等特点。
3. 柴油发电机组系统设计
3.1高压柴油发电机组系统由高压配电系统和高压柴油发电机组组成。高压柴油发电机组又是由高压发电机、柴油机、控制系统以及机组底盘等组成， 而配电系统则是由高压进线柜、出线柜、PT柜和接地电阻柜等组成。
3.2油机机房选址。
综合考虑柴油发电机组的进风、排风、排烟等情况，一般选择在数据中心基地单独建一座油机房。机房选址时应注意以下几点[2]：
（1）应设在四周无外墙的房间，为热风管道和排烟管道导出室外创造条件；
（2）劲量壁开建筑物的主入口、正立面等部位，以避免排烟、排风对其造成的影响。
（3）注意噪声对环境的影响。
3.3油机安装基础设计。
（1）油機安装基础包含承重基础、防震缝、排污油槽和挡土墙等。
（2）油机一般都很重，需要考虑地板的基础承重设计。承重主要是油机本身（含底座）的重量和油机的运行重量之和。运行重量大概是油机机组本身重量的0.5倍，因此油机基础的承重设计应该按照1.5倍机组重量设计。油机基础主要由钢筋网和砂石混凝土构成，而油机基础基础下面用粗砂和卵石垫厚200mm底，并夯实。
现在很多油机安装基础都忽略了防震缝的设计，由挡土墙与基础构成防震墙。防震缝一般取60mm，防止与房屋产生共振现象。
（3）油机基础应采取防油浸的设施，可设置排油污沟槽，具体如图1所示。
3.4设备安装及机房设计。
（1）发电机组安装时，散热器距通风口1.0～1.2m，风口底部距地面0.4m，机组的其余三面距机房墙壁为2.0m。多台机组安装时，其间距为2.0～2.5m，机房天花板距发动机至少为1.5m，或者要求机房地板离天花板不少于4.5m，以便于对机组的检查、保养和维修。
（2）油机运行时会散出热量，环境温度升高会影响油机的输出功率，降低油机的效率。因此，必须采取措施来保正发动机及发电机冷却。正确的空气流动路线应为图2所示：空气从机尾部经过发动机，经过散热器，导风罩排出室外。如果没有导风罩将热气排除户外，风扇将把热空气抽散在四周，热空气将回散热器，降低了冷却效果。 （3）空气的人口和出口都要满足机组排风量要求， 进风口至少是散热器芯面积的1.5 一1.8 倍，宜设在正对发电机端或发电机端两侧； 排风口净流通面积大于散热器芯面积的1.25 一1.5 倍， 宜靠近且正对柴油机散热器， 不宜设在主导风向一侧， 若有困难时应增设挡风墙。要求进出风口不能设置在同一个方向， 避免出风和进风混合。
（4）排烟宜采用架空敷设方式， 排烟管应单独引出室外。排烟管弯头尽量少， 并能自由伸缩。水平敷设的排烟管道宜设0.3% 一0.5 % 的坡度， 坡向室外， 并在管道最低点装排污阀。为防止烫伤和减少辐射热， 排烟管宜进行保温处理。
4. 柴油发电机组供油系统设计
（1）为满足柴油发电机组运行的用油要求， 根据GB 50174 - 2014、GB 50016 - 2014等规范要求， 本示例工程在柴油发电机房内每台机组均单独设有日用油箱间， 日用油箱间内储存有1m2的日用燃油。结合日用油箱间， 还在地下一层设置油泵供油系统， 在室外设置储油罐， 通过油泵系统自动供油， 满足柴油发电机组运行时间不小于72 h 的用油要求。
（2）各个日用油箱上均设有液位控制仪， 当日用油箱内的油处于低液位时， 油泵启动， 将埋在室外储油罐内的柴油输入日用油箱内； 反之，当日用油箱内的油处于高液位的时候， 供油泵自动关闭。当油位超过设置液位范围时，报警器自动报警。当油位超过超高液位、柴油发电机发生故障或火灾自动报警系统报警时，排油电磁阀启动，将油排至室外储油罐。日用油箱的油直接供柴油发电机使用，柴油发电机的回油，回到日用油箱继续使用，日用油箱底部的排油管和溢油管接入溢油桶，溢油桶安装液位显示，当液位处于高位时，经手摇泵输入日用油箱继续使用[3]。
5. 测试负载设计
5.1柴油发电机组作为市政电源停电后的应急电源，多数时间都处于待机状态，一旦市政电源停电或者发生故障，柴油发电机组就起到了至关重要的作用。为防止供电故障发生时柴油发电机组出现性能故障，加强日常柴油发电机组的检测和维护，建立完善的柴油发电机组检测和维护规程，定时规范地对柴油发电机组进行保养、检测和维护就显得格外重要。测试负载可以检测柴油发电机组的带载功率，作满载测试、不平衡负载能力测试、突加突减功率测试、稳态电压调整率、稳态频率调整率、瞬态电压调整频率、电压恢复时间、瞬态频率调整、频率恢复时间、柴油发电机组持续运行检测[4]。
5.2根据柴油发电机组容量及运行要求， 选择测试负载容量为2 000 kW。可供选择的方案主要有如下3 个：
（1）方案一： 移动式测试负载。
测试负载采用车载移动式测试负载， 需要测试时，租用专业测试公司的测试负载及相应测试设备。此方案需在柴油发电机房三层并机室预留测试负载接线柜， 从接线柜引线缆至一层， 并预留管线至室外测试点。
（2）方案二： 20 KV 固定式测试负载。
配合市政电源与柴油发电机组成的20 KV 供电系统， 测试负载采用20 KV 电压等级的固定式测试负载， 测试负载安装于柴油发电机房屋顶。此方案需在柴油发电机房三层并机室预留20 KV 测试负载接线柜， 并从接线柜引20 KV 电缆经由电缆桥架从进出线间引至屋面测试负载处。
（3）方案三： 0. 4 KV 固定式测试负载。
本方案中测试负载采用0. 4 KV 电压等级， 负载容量可选1 台2 000 kW 或者4 台500 kW， 测试负载安装于动力中心屋顶。此方案需在柴油发电机房三层并机室设置20 / 0. 4 KV 降压变压器及相应低压出线柜。低压出线柜至屋顶测试负载利用低压母线槽或低压电缆经由进出线间引至屋面的测试负载。
5.3以上3 个方案中，方案一的优点是节省造价但其后期操作繁琐， 每次进行测试时都需要租用测试设备， 测试前后需进行电缆连接和拆除的工作， 耗费大量人力物力， 且测试性能不夠稳定可靠。方案二的测试负载电压等级为20 KV， 是直接模拟高压配电柜的带载性能， 不需设置降压变压器和相关低压出线柜，工程相对简单。但后期维护复杂， 建造成本及维护费用较高， 测试性能与0. 4 KV 电压等级测试负载无太大差异。方案三中0. 4 KV 电压等级模拟测试发电机组并机升压（高压配电柜） 又经变压器降压后的负载性能， 其整体建造成本、后期维护成本都相对低廉，在整机产品测试性能、绝缘、寿命、安全等方面均有一定优势， 整机实用性高， 可独立对单台发电机组周期性带载测试和其它低压带载测试。故本例中测试负载安装按照方案三设计。
6. 结束语
在信息化时代的今天，大型数据中心的建设需求日益增长。数据中心机房的用电负荷等级均相对较高，因此，对其主、备用电源的供电可靠性要求相当严格。大型数据中心配套的柴油发电机房设计至关重要。
参考文献
[1]数据中心柴油发电机组设计的若干问题.
[2]民用建筑中柴油发电机组的选择与机房设计.
[3]高层建筑中柴油发电机组的选择与机房设计.
[4]浅析柴油发电机组系统在高压交流备用中的应用.
【关键词】数据中心； 柴油发电机； 供配电系统
Design of Diesel Generator in Data Center
Xie Xiang-wei
（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， LtdXi'anShaanxi710075）
【Abstract】In order to ensure the safety， reliability and stability of the power supply system， it is necessary to make careful planning and design of the power supply and distribution system according to the existing regulations. The main reason for this is that the backup of the power supply system is related to the power supply system. Design Essentials of Diesel Generator.
【Key words】Data center；Diesel generator；Power supply and distribution system
数据中心是为了满足现代社会的信息化需求而建设的一整套包括计算机系统、信息处理设备、数据通信设备及其他与之配套设备的设施。柴油发电机台数选择按照GB 50174《电子信息系统机房设计规范》对于A级机房的设计要求，柴油发电机储油时间需达到72 h；而按照美国标准TIA-942-2014 《数据中心的通信基础设施标准》对于Tier IV级机房的设计要求，柴油发电机需要达到储油时间96 h，即柴油发电机可能运行72 h或96 h，所以柴油发电机也需要备份。柴油发电机需要与配电变压器对应分组设置，每组柴油发电机两台或三台，采用“1+1”或“2+1”方式设置，可互为备用或轮流备用。柴油发电机电源分别与两段低压母线引出的回路通过ATS开关转换，然后对UPS、空调设备和消防设备供电[1]。
1. 柴油发电机电压选择
柴油发电机宜选择低压发电机，与配电变压器共同组成“N+2”电源系统，如采用中压柴油发电机，在一台配电变压器检修时，因检修时间不会很短，故障发生的时机又是随机的，有可能发生单点故障，造成灾难性后果，所以需要增设备用配电变压器。由于低压发电机单台容量受到低压断路器断流容量的限制，一般与配电变压器同样按组设置。采用高压柴油发电机可以提高单台柴油发电机容量，减少柴油发电机台数，由于需要配置备用配电变压器，却增加了配电变压器台数，每组高压柴油发电机对应几组配电变压器。
2. 柴油发电机组性能分析
柴油发电机组由柴油机、发电机、启动电机弹性联轴节及支撑底座组成。套发电机组放置在重型钢架机座上， 全焊接结构， 可精确地校正和支撑引擎/交流发电机， 底座架上有吊机孔作运输及安装之用。在发电机组与公共底盘之间，根据发电机组的动、静载荷选配适合的减震器， 大大减少机组工作的振动对周围的传递。该减震器高频波动率较小， 对瞬态冲击响应及瞬时过载工况等引起的自振能迅速消失； 该减震器采用碗形上盖， 三相刚度相等， 有防剪切性能。具有调压精度高、动态性能好电压波形畸变小、效率高、结构紧凑、维修方便、工作可靠、使用寿命长和经济性能好等特点。
3. 柴油发电机组系统设计
3.1高压柴油发电机组系统由高压配电系统和高压柴油发电机组组成。高压柴油发电机组又是由高压发电机、柴油机、控制系统以及机组底盘等组成， 而配电系统则是由高压进线柜、出线柜、PT柜和接地电阻柜等组成。
3.2油机机房选址。
综合考虑柴油发电机组的进风、排风、排烟等情况，一般选择在数据中心基地单独建一座油机房。机房选址时应注意以下几点[2]：
（1）应设在四周无外墙的房间，为热风管道和排烟管道导出室外创造条件；
（2）劲量壁开建筑物的主入口、正立面等部位，以避免排烟、排风对其造成的影响。
（3）注意噪声对环境的影响。
3.3油机安装基础设计。
（1）油機安装基础包含承重基础、防震缝、排污油槽和挡土墙等。
（2）油机一般都很重，需要考虑地板的基础承重设计。承重主要是油机本身（含底座）的重量和油机的运行重量之和。运行重量大概是油机机组本身重量的0.5倍，因此油机基础的承重设计应该按照1.5倍机组重量设计。油机基础主要由钢筋网和砂石混凝土构成，而油机基础基础下面用粗砂和卵石垫厚200mm底，并夯实。
现在很多油机安装基础都忽略了防震缝的设计，由挡土墙与基础构成防震墙。防震缝一般取60mm，防止与房屋产生共振现象。
（3）油机基础应采取防油浸的设施，可设置排油污沟槽，具体如图1所示。
3.4设备安装及机房设计。
（1）发电机组安装时，散热器距通风口1.0～1.2m，风口底部距地面0.4m，机组的其余三面距机房墙壁为2.0m。多台机组安装时，其间距为2.0～2.5m，机房天花板距发动机至少为1.5m，或者要求机房地板离天花板不少于4.5m，以便于对机组的检查、保养和维修。
（2）油机运行时会散出热量，环境温度升高会影响油机的输出功率，降低油机的效率。因此，必须采取措施来保正发动机及发电机冷却。正确的空气流动路线应为图2所示：空气从机尾部经过发动机，经过散热器，导风罩排出室外。如果没有导风罩将热气排除户外，风扇将把热空气抽散在四周，热空气将回散热器，降低了冷却效果。 （3）空气的人口和出口都要满足机组排风量要求， 进风口至少是散热器芯面积的1.5 一1.8 倍，宜设在正对发电机端或发电机端两侧； 排风口净流通面积大于散热器芯面积的1.25 一1.5 倍， 宜靠近且正对柴油机散热器， 不宜设在主导风向一侧， 若有困难时应增设挡风墙。要求进出风口不能设置在同一个方向， 避免出风和进风混合。
（4）排烟宜采用架空敷设方式， 排烟管应单独引出室外。排烟管弯头尽量少， 并能自由伸缩。水平敷设的排烟管道宜设0.3% 一0.5 % 的坡度， 坡向室外， 并在管道最低点装排污阀。为防止烫伤和减少辐射热， 排烟管宜进行保温处理。
4. 柴油发电机组供油系统设计
（1）为满足柴油发电机组运行的用油要求， 根据GB 50174 - 2014、GB 50016 - 2014等规范要求， 本示例工程在柴油发电机房内每台机组均单独设有日用油箱间， 日用油箱间内储存有1m2的日用燃油。结合日用油箱间， 还在地下一层设置油泵供油系统， 在室外设置储油罐， 通过油泵系统自动供油， 满足柴油发电机组运行时间不小于72 h 的用油要求。
（2）各个日用油箱上均设有液位控制仪， 当日用油箱内的油处于低液位时， 油泵启动， 将埋在室外储油罐内的柴油输入日用油箱内； 反之，当日用油箱内的油处于高液位的时候， 供油泵自动关闭。当油位超过设置液位范围时，报警器自动报警。当油位超过超高液位、柴油发电机发生故障或火灾自动报警系统报警时，排油电磁阀启动，将油排至室外储油罐。日用油箱的油直接供柴油发电机使用，柴油发电机的回油，回到日用油箱继续使用，日用油箱底部的排油管和溢油管接入溢油桶，溢油桶安装液位显示，当液位处于高位时，经手摇泵输入日用油箱继续使用[3]。
5. 测试负载设计
5.1柴油发电机组作为市政电源停电后的应急电源，多数时间都处于待机状态，一旦市政电源停电或者发生故障，柴油发电机组就起到了至关重要的作用。为防止供电故障发生时柴油发电机组出现性能故障，加强日常柴油发电机组的检测和维护，建立完善的柴油发电机组检测和维护规程，定时规范地对柴油发电机组进行保养、检测和维护就显得格外重要。测试负载可以检测柴油发电机组的带载功率，作满载测试、不平衡负载能力测试、突加突减功率测试、稳态电压调整率、稳态频率调整率、瞬态电压调整频率、电压恢复时间、瞬态频率调整、频率恢复时间、柴油发电机组持续运行检测[4]。
5.2根据柴油发电机组容量及运行要求， 选择测试负载容量为2 000 kW。可供选择的方案主要有如下3 个：
（1）方案一： 移动式测试负载。
测试负载采用车载移动式测试负载， 需要测试时，租用专业测试公司的测试负载及相应测试设备。此方案需在柴油发电机房三层并机室预留测试负载接线柜， 从接线柜引线缆至一层， 并预留管线至室外测试点。
（2）方案二： 20 KV 固定式测试负载。
配合市政电源与柴油发电机组成的20 KV 供电系统， 测试负载采用20 KV 电压等级的固定式测试负载， 测试负载安装于柴油发电机房屋顶。此方案需在柴油发电机房三层并机室预留20 KV 测试负载接线柜， 并从接线柜引20 KV 电缆经由电缆桥架从进出线间引至屋面测试负载处。
（3）方案三： 0. 4 KV 固定式测试负载。
本方案中测试负载采用0. 4 KV 电压等级， 负载容量可选1 台2 000 kW 或者4 台500 kW， 测试负载安装于动力中心屋顶。此方案需在柴油发电机房三层并机室设置20 / 0. 4 KV 降压变压器及相应低压出线柜。低压出线柜至屋顶测试负载利用低压母线槽或低压电缆经由进出线间引至屋面的测试负载。
5.3以上3 个方案中，方案一的优点是节省造价但其后期操作繁琐， 每次进行测试时都需要租用测试设备， 测试前后需进行电缆连接和拆除的工作， 耗费大量人力物力， 且测试性能不夠稳定可靠。方案二的测试负载电压等级为20 KV， 是直接模拟高压配电柜的带载性能， 不需设置降压变压器和相关低压出线柜，工程相对简单。但后期维护复杂， 建造成本及维护费用较高， 测试性能与0. 4 KV 电压等级测试负载无太大差异。方案三中0. 4 KV 电压等级模拟测试发电机组并机升压（高压配电柜） 又经变压器降压后的负载性能， 其整体建造成本、后期维护成本都相对低廉，在整机产品测试性能、绝缘、寿命、安全等方面均有一定优势， 整机实用性高， 可独立对单台发电机组周期性带载测试和其它低压带载测试。故本例中测试负载安装按照方案三设计。
6. 结束语
在信息化时代的今天，大型数据中心的建设需求日益增长。数据中心机房的用电负荷等级均相对较高，因此，对其主、备用电源的供电可靠性要求相当严格。大型数据中心配套的柴油发电机房设计至关重要。
参考文献
[1]数据中心柴油发电机组设计的若干问题.
[2]民用建筑中柴油发电机组的选择与机房设计.
[3]高层建筑中柴油发电机组的选择与机房设计.
[4]浅析柴油发电机组系统在高压交流备用中的应用.